專利名稱：基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子信息領(lǐng)域，特別是涉及一種基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
無(wú)線激光通信(Free Space Optic, FS0)是極具發(fā)展前景的一種通信方式。由于其使用開放性的大氣信道做為傳播介質(zhì)，大氣環(huán)境會(huì)對(duì)信號(hào)造成較大的影響，并且這種影響會(huì)隨著天氣和季節(jié)的變化而不同。遠(yuǎn)距離通信時(shí)，大氣湍流、散射以及各種不同的氣象條件(如，風(fēng)、雨、霧、霾等等)會(huì)使光斑能量衰減、光斑形狀伴有不同程度的破損、并且閃爍、抖動(dòng)、漂移。這給信號(hào)的接收、探測(cè)帶來(lái)了很大的困難，尤其是光斑的抖動(dòng)。信號(hào)光抖動(dòng)的隨機(jī)性不僅會(huì)帶來(lái)探測(cè)噪聲，而且在抖動(dòng)幅度較大時(shí)，還會(huì)造成信號(hào)的中斷。實(shí)際中主要采取的探測(cè)方式有兩種:直接探測(cè)和光纖耦合探測(cè)。
直接探測(cè)多采用PIN光電二極管為探測(cè)器件。其優(yōu)勢(shì)在于:只要部分光斑照射在有效探測(cè)區(qū)域內(nèi)且光功率大于PIN光電二極管最小可探測(cè)功率時(shí)，探測(cè)器就會(huì)有響應(yīng)。性能良好的PIN光電二極管理論響應(yīng)頻率在千兆赫茲(kMHz)，但在實(shí)際應(yīng)用中受光電二極管后續(xù)電路時(shí)間常數(shù)限制，響應(yīng)頻率很難達(dá)到理論值。實(shí)際中為了減小結(jié)電容、提高響應(yīng)頻率，不會(huì)將光敏面做的很大。這樣光敏面積越小響應(yīng)頻率就越高；而光敏面越小，當(dāng)光斑抖動(dòng)劇烈時(shí)，光斑會(huì)漂出探測(cè)面范圍，就會(huì)造成瞬時(shí)的信號(hào)中斷。一般近距和較低頻率的通信離常采用直接探測(cè)；當(dāng)通信距離提高至千米級(jí)別或者通信速率吉赫茲(GHz)到時(shí)，多采用光纖耦合探測(cè)。
光纖耦合探測(cè)多采用接收天線和單根單模光纖配合的方式。其優(yōu)勢(shì)在于:光纖放大器件和探測(cè)器件發(fā)展相對(duì)成熟。光纖探測(cè)器的響應(yīng)頻率在吉赫茲(GHz)，若可將信號(hào)光引入光纖內(nèi)部再做后續(xù)探測(cè)處理，不僅可以規(guī)避PIN光電二極管的理論響應(yīng)頻率的瓶頸，還可以放大信號(hào)，保證信號(hào)質(zhì)量，降低成本。
光纖稱合方案存在技術(shù)一些技術(shù)難點(diǎn):光斑中心偏移或者光線斜入射時(shí)都會(huì)造成耦合效率的急劇下降。通過相關(guān)的計(jì)算，得出理論耦合效率為:當(dāng)透鏡相對(duì)孔徑分別為0.203和0.211時(shí)，1310nm激光最大耦合效率為82.54%,1550nm激光最大耦合效率82.69%。當(dāng)光斑偏移中心5mm后耦合效率，則會(huì)下降到不到30%。
國(guó)內(nèi)研究空間光I禹合的機(jī)構(gòu)主要有:電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等機(jī)構(gòu)，他們提出的方案都是采用單根單模光纖耦合。電子科技大學(xué)鄧科、王秉中等人在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做了近距離的實(shí)驗(yàn)，用于耦合的光纖是商用單模光纖跳線，光纖端面未作鍍膜等特殊處理。光源波長(zhǎng)為1310nm，耦合透鏡直徑4 mm。耦合透鏡焦距f=20 mm，測(cè)得的最大耦合效率只有61%。又如深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的相關(guān)研究中，對(duì)光纖的斷面進(jìn)行處理(將斷面處理成求透鏡)，當(dāng)球透鏡的半徑為79.9 μ m時(shí)，工作距離約為50 μ m的激光器和光纖耦合效率最高也不過64.3%，耦合效率不高。那么當(dāng)信號(hào)光經(jīng)過幾公里甚至更遠(yuǎn)距離后的，如何提高耦合效率，并能夠克服光斑抖動(dòng)造成的耦合效率迅速下降是亟待解決的技術(shù)難題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置，能夠克服光斑抖動(dòng)、破損、漂移時(shí)造成的耦合效率下降和信號(hào)中斷的問題。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是:提供一種基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置，包括:多根多模光纖，所述多模光纖上具有兩個(gè)端面，所述多模光纖的其中一端為裸光纖端面，另一端上設(shè)置有自聚焦透鏡，所述兩個(gè)端面之間設(shè)有緩沖涂覆層，所述多根多模光纖的裸光纖端面緊固連接，所述自聚焦透鏡配合設(shè)置在微透鏡內(nèi)。
在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，還包括光纖固定盤，所述光纖固定盤上設(shè)置有多個(gè)安裝孔，所述微透鏡配合安裝在安裝孔內(nèi)。
在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述光纖固定盤配合安裝在接收透鏡內(nèi)，所述接收透鏡上設(shè)有接收天線鏡筒，所述天線鏡筒上具有光纖耦合面，所述光纖耦合面前方為焦平面。
在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述光纖固定盤包括底座和端面，所述端面的表面呈正彎月形，底座為圓柱體，所述安裝孔的數(shù)量為13個(gè)。
在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述安裝孔圍繞光纖固定盤的底座的圓心均勻分布，最外層包括8個(gè)安裝孔繞圓心均勻分布，中間層包括4個(gè)安裝孔繞圓心均勻分布，內(nèi)層包括I個(gè)安裝孔，其中心與圓心重疊。
在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述微透鏡由兩個(gè)圓柱體連接而成，其中一個(gè)圓柱體直徑大于另一個(gè)圓柱體。
在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述多根多模光纖的裸光纖端面之間通過光纖接頭封裝并形成固定端面。
在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述自聚焦透鏡膠合在多模光纖的一端上并形成自由端面。
本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置能夠克服光斑抖動(dòng)、破損、漂移時(shí)造成的耦合效率下降和信號(hào)中斷的問題。


圖1是本發(fā)明基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置一較佳實(shí)施例的單根光纖端面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置一較佳實(shí)施例的微透鏡結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖2所示微透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置一較佳實(shí)施例的光耦合示意圖； 圖5是本發(fā)明基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置一較佳實(shí)施例的光耦合面光路圖； 圖6是本發(fā)明基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置一較佳實(shí)施例的光纖盤主視圖； 圖7視圖6所不光纖盤的左視圖； 附圖中各部件的標(biāo)記如下:1、裸光纖端面，2、自聚焦透鏡，3、緩沖涂覆層，4、微透鏡， 5、光纖固定盤，6、安裝孔，7、接收透鏡，8、接收天線鏡筒，9、光纖耦合面，10、焦平面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。請(qǐng)參閱圖1至圖7，一種基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置，包括:多根多模光纖，所述多模光纖上具有兩個(gè)端面，所述多模光纖的其中一端為裸光纖端面1，另一端上設(shè)置有自聚焦透鏡2，所述兩個(gè)端面之間設(shè)有緩沖涂覆層3，所述多根多模光纖的裸光纖端面I緊固連接，所述自聚焦透鏡2配合設(shè)置在微透鏡4內(nèi)，用多模光纖代替單模光纖，多模光纖的芯徑大，經(jīng)接收天線會(huì)聚的光能量更容易進(jìn)入光纖芯徑內(nèi)，若采用單根光纖耦合，光斑的破損、閃爍、抖動(dòng)、漂移都會(huì)引起光斑偏移中心或者光線入射角的變化，該變化就會(huì)使得光纖耦合效率下降。設(shè)計(jì)多根多模光纖陣列，使該陣列中每根光纖的有效耦合面相互重疊，以有效的克服抖動(dòng)，從而提高耦合效率，光纖的數(shù)值孔徑是影響耦合效率的重要參數(shù)，若對(duì)光纖的斷面不進(jìn)行任何處理，造成的直接后果是耦合效率低下且數(shù)值孔徑較小。若光線發(fā)生很小角度的抖動(dòng)就會(huì)造成光線入射角和光纖的數(shù)值孔徑不匹配，耦合進(jìn)光纖的光強(qiáng)急劇下降，在光纖端面上膠合上自聚焦透鏡后，可大大提高數(shù)值孔徑。提高斜入射時(shí)的耦合效率。也就是說，光線的入射角小角度變化時(shí)對(duì)耦合效率的影響較小，則耦合光強(qiáng)也就相應(yīng)的變大，在光纖前端加入微透鏡。形成以微透鏡、自聚焦透鏡和光纖為一體的陣列，以提高耦合效率。另外，還包括光纖固定盤5，所述光纖固定盤5上設(shè)置有多個(gè)安裝孔6，所述微透鏡4配合安裝在安裝孔6內(nèi)。另外，所述光纖固定盤5配合安裝在接收透鏡7內(nèi)，所述接收透鏡7上設(shè)有接收天線鏡筒8，所述天線鏡筒8上具有光纖耦合面9，所述光纖耦合面9前方為焦平面10。另外，所述光纖固定盤5包括底座和端面，所述端面的表面呈正彎月形，底座為圓柱體，所述安裝孔6的數(shù)量為13個(gè)。另外，所述安裝孔6圍繞光纖固定盤5的底座的圓心均勻分布，最外層包括8個(gè)安裝孔6繞圓心均勻分布，中間層包括4個(gè)安裝孔6繞圓心均勻分布，內(nèi)層包括I個(gè)安裝孔6，
其中心與圓心重疊。另外，所述微透鏡4由兩個(gè)圓柱體連接而成，其中一個(gè)圓柱體直徑大于另一個(gè)圓柱體。另外，所述多根多模光纖的裸光纖端面I之間通過光纖接頭封裝并形成固定端面。另外，所述自聚焦透鏡2膠合在多模光纖的一端上并形成自由端面。本發(fā)明基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置具體實(shí)施例如下:對(duì)多模光纖的兩個(gè)端面進(jìn)行處理，在端面的一端膠合自聚焦透鏡，另一端除去多模光纖尾部的緩沖涂覆層，將多根多模光纖封裝成多合一形式，將多根處理后的多模光纖無(wú)緩沖涂覆層的端面緊固，并用光纖接頭封裝并形成一個(gè)固定接口，多模光纖膠合自聚焦透鏡3的端面是多個(gè)自由端，將自聚焦透鏡3安裝在微透鏡4的尾部上；確定光纖耦合面9的范圍，用卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡做為發(fā)射天線，用焦距為f’的口徑為D的單透鏡為接收天線。實(shí)驗(yàn)時(shí)，需將光斑調(diào)節(jié)至覆蓋接收透鏡7表面。其中圖4中9是光纖耦合面，設(shè)其直徑為d，圖4中10為焦平面，將光纖耦合面前離焦放置。其中圖4中7為接收透鏡；圖4中8為接收天線鏡筒，設(shè)其長(zhǎng)度為L(zhǎng) (L< f’保證光纖前離焦放置)。根據(jù)薄透鏡的高斯公式:1/1’ _l/l=l/f’Cl)
其中I’是像距，I是物距，f’是像方焦距。遠(yuǎn)距離實(shí)驗(yàn)，可認(rèn)為無(wú)抖動(dòng)光束平行入射。當(dāng)光斑抖動(dòng)時(shí)，抖動(dòng)光束與平行入射光束成一微小夾角。設(shè)該角度為，由圖5幾何關(guān)系分析物距:l=-D/2tan Θ(2)
將(2)式帶入(I)式得:1’ =Df’ /D-2f’ tan θ(3)
應(yīng)用光學(xué)中，稱有效孔徑與焦距的比值(D/f’)為相對(duì)孔徑，本文用^表示，則了 I’可以表示為:1’ =D/n_2tan Θ (4)
設(shè)前離焦量為I，由圖5幾何關(guān)系可得輔光軸在耦合面垂直的平移量mn為:mn=(I’-ξ ) tan θ，且ηρ= ξ D/21’，則率禹合面為直徑d=2 (mn+np)的圓面,將(4)式帶入(當(dāng)Θ很小時(shí)，Θ sin Θ tan θ ):d=2D θ/η-2θ + ξ η (5)
其中:D—接收透鏡孔徑；
Θ—光線入射角抖動(dòng)角度； η —接收透鏡的相對(duì)孔徑(D/f’)，f’為像方焦距；
I一前離焦量；
將多個(gè)微透鏡4和多模光纖連接，并且配合安裝到光纖固定盤5上的安裝孔6內(nèi)，光纖固定盤4的直徑和光纖稱合面9直徑相同，為了提高光纖稱合效率，將光纖固定盤5制成正彎月形，以透鏡焦距和離焦量之差(f’-ξ )為半徑，以接收透鏡7平面與光軸的焦點(diǎn)為球心放置，保證主要能量進(jìn)入光纖芯徑內(nèi)，最后將光纖固定盤4固定在接收透鏡7的尾部，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置能夠克服光斑抖動(dòng)、破損、漂移時(shí)造成的耦合效率下降和信號(hào)中斷的問題。以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置，其特征在于，包括:多根多模光纖，所述多模光纖上具有兩個(gè)端面，所述多模光纖的其中一端為裸光纖端面，另一端上設(shè)置有自聚焦透鏡，所述兩個(gè)端面之間設(shè)有緩沖涂覆層，所述多根多模光纖的裸光纖端面緊固連接，所述自聚焦透鏡配合設(shè)置在微透鏡內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置，其特征在于，還包括光纖固定盤，所述光纖固定盤上設(shè)置有多個(gè)安裝孔，所述微透鏡配合安裝在安裝孔內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置，其特征在于，所述光纖固定盤配合安裝在接收透鏡內(nèi)，所述接收透鏡上設(shè)有接收天線鏡筒，所述天線鏡筒上具有光纖耦合面，所述光纖耦合面前方為焦平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置，其特征在于，所述光纖固定盤包括底座和端面，所述端面的表面呈正彎月形，底座為圓柱體，所述安裝孔的數(shù)量為13個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置，其特征在于，所述安裝孔圍繞光纖固定盤的底座的圓心均勻分布，最外層包括8個(gè)安裝孔繞圓心均勻分布，中間層包括4個(gè)安裝孔繞圓心均勻分布，內(nèi)層包括I個(gè)安裝孔，其中心與圓心重疊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置，其特征在于，所述微透鏡由兩個(gè)圓柱體連接而成，其中一個(gè)圓柱體直徑大于另一個(gè)圓柱體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置，其特征在于，所述多根多模光纖的裸光纖端面之間通過光纖接頭封裝并形成固定端面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置，其特征在于，所述自聚焦透鏡膠合在多模光纖的一端上并形成自由端面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置，包括多根多模光纖，所述多模光纖上具有兩個(gè)端面，所述多模光纖的其中一端為裸光纖端面，另一端上設(shè)置有自聚焦透鏡，所述多根多模光纖的裸光纖端面緊固連接，所述自聚焦透鏡配合設(shè)置在微透鏡內(nèi)。通過上述方式，本發(fā)明基于光纖陣列的空間光耦合探測(cè)裝置，能夠克服光斑抖動(dòng)、破損、漂移時(shí)造成的耦合效率下降和信號(hào)中斷的問題。
文檔編號(hào)H04B10/07GK103209022SQ201310056360
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月22日
發(fā)明者柯熙政, 陳煒 申請(qǐng)人:江蘇海虹電子有限公司